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【2018国家科技奖】材料学院史玉升教授团队:化繁为简,3D打印破解制造难题

发布时间:2019-01-14 编辑:操莉 来源:华中科技大学新闻网 浏览次数:

汽车在路上飞驰,飞机在天空翱翔,舰船在海面航行……这些钢铁侠的内部构造十分复杂,零件制造绝非易事。在材料学院,史玉升教授团队数十年如一日,希望用3D打印技术改造和提升传统制造技术,化繁为简,变难为易,解决复杂构造零件的制造难题。


1991年,从原华中理工大学校长、机械制造专家黄树槐主持成立快速制造中心开始,3D打印技术的研究和应用就在我校拉开帷幕。史玉升介绍说,3D打印可以解决许多传统制造技术难以解决的问题。比如整体成形复杂的铸造型(芯),用3D打印就比传统制造技术来得快,且省钱。


随着航空航天、汽车等领域高端装备对性能要求的不断提高,其关键零件也逐渐向复杂化、整体化方向发展。团队意识到,铸造是复杂金属零件成形的主要方法,但其传统模具工艺难以甚至无法整体成形复杂铸造型(芯);而3D打印虽然可成形任意复杂结构,但在直接制造金属零件时存在材料种类有限、性能难控制等突出问题。他们的研究面临着新的拦路虎


知己知彼方能百战不殆,多年来的研究基础,让团队很快有了新的解题思路。他们大胆地决定将3D打印和传统铸造工艺结合起来,取其优势进行创新。3D打印无模整体成形铸造用的复杂蜡模、砂型(芯)、陶瓷芯,再用数值模拟手段科学确定最优的浇冒口和工艺参数。我们希望通过两者相结合的方式,从而达到高性能复杂零件整体成功铸造的目的。史玉升介绍说。



记者 刘涵木 摄


这是一个多学科交叉的项目,需要团队成员通力合作。于是,大家化整为零,各自揽了一摊,抓紧干。史玉升教授负责总体技术方案制定,周建新教授负责零件整体铸造数值模拟技术的研发,闫春泽教授负责铸型(芯)3D打印材料的研发,李中伟副教授负责逆向设计、3D打印过程在线测量与形性调控、铸型(芯)及其铸件精度检测技术的研究。团队成员各自发挥所长,一点点啃这块硬骨头。


我们需要的铸型(芯)材料不仅能3D打印,还要能满足铸造工艺要求,只能根据理论先设计筛选,然后一遍一遍试验。闫春泽介绍道。史玉升笑着说,多年来,他常常在实验室一呆就是一整天,和团队成员一起见过喻家山早上6点的朝阳,也见过校园夜晚12点的星空,埋头苦钻技术问题的日子过得既辛苦又充实。


经历了铸型(芯)材料及其3D打印工艺研发、铸造工艺优化设计、铸造过程模拟计算、性能评价、应用验证、产业化推广等阶段的反复迭代过程,团队也从最开始的十几人发展到百余人。2018年,团队取得的成果复杂零件整体铸造的型(芯)激光烧结材料制备与控形控性技术获得了2018年度国家科学技术进步奖二等奖。此刻,距离90年代初,团队与3D打印的第一次触碰已过去了20余年。



图为史玉升教授在大会现场


如今,团队创建的高性能复杂零件的整体铸造成套技术,突破了航空发动机机匣和单晶叶片、航天发动机涡轮泵、汽车发动机缸体缸盖等高性能复杂零件的整体铸造难题,支撑了大飞机、新一代重型火箭、高性能轻量化汽车等高端装备的研制。


团队的成果也赢得了国内外专家的赞誉。英国增材制造中心主任R. Hague、国际光学工程学会会士S. Zhang、美国爱荷华大学凝固实验室主任C. Beckermann对团队项目成果分别给出了很高的评价:材料制备方法可显著提升SLS成形件性能提出了更强大的三维形面测量技术铸造过程自动优化算法大幅提高了铸造数值模拟的有效性。专家鉴定总体技术达到国际先进水平,部分指标国际领先


技术的研发需要长期坚持,成果的产业化和推广更不能放松。直到现在,团队负责人史玉升一周恨不得有5天都需要在外奔波,但是他却甘之如饴。他自豪地说,如今他们的成果不仅应用于中国的航空航天、汽车等众多领域,而且还出口国外。


现在,我们陶瓷激光烧结3D打印装备可以整体成形最大尺寸为1.6米多的陶瓷零件,我们正在讨论最大台面为5米的陶瓷激光烧结3D打印装备的设计方案。等我们把5米台面装备做出来后,就尝试做10米的。史玉升双手一挥,试图比划一个10米的大圆。说起这些,他的眼睛闪闪发亮,满怀信心和希望。未来,他将带着团队开启新的征程。